基于VR技術的安全培訓體驗系統

王攀

摘要??? 隨著VR（虛擬現實）技術的日漸完善，各個行業也開始運用VR技術，解決行業難題。在安全培訓領域，傳統的說教式的培訓方式培訓由于體驗互動少，培訓效果不明顯，而將VR技術引入到安全培訓領域，并以其獨特的沉浸感、交互性將安全培訓的內容進行場景化體驗，讓體驗者以第一人稱視角在場景中真實操作、體驗，深刻發生事故帶來的痛苦感受，同時又能在互動體驗中深刻記憶事故原因，防止事故再次發生，極大的提高安全培訓效果。

【關鍵詞】VR技術 虛擬現實 安全培訓

隨著社會整體生活質量水平的提升，大量的生產、制造、基建等行業發展迅速，隨之帶來的安全問題日益嚴重。從國內大量的安全事故案例調查報告原因分析來看，很多安全事故的發生是由于人員的不安全行為造成的。要想減少安全事故的發生率，最直接、最有效的手段是對作業人員進行安全培訓教育，增強員工的安全意識，從而達到消除員工的不安全行為的目的。然而目前企業的安全培訓基本上還是書本講解的“灌輸式培訓”為主，在培訓效果及效果的持久性方面還有待提高，很多復雜的工程施工事故無法再現，很難進行教學培訓。單位的硬性培訓費用投入很高，但是效果卻并不明顯。但是這一現狀，將因為VR技術的大量落地應用而逐漸改善，VR技術的普及，將在安全培訓領域開辟新的思路。

1 VR技術與安全培訓的結合

VR全稱為Virtual Reality，譯為虛擬現實，虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的、三維動態視景和實體行為的系統仿真，并可以使用戶沉浸到該環境中。真實模擬和感知是兩個重要特征，它是目前計算技術的最前端應用。VR技術具有多感知性、沉浸感、交互性、構想性等特征。

將VR技術應用于安全培訓中，通過3D建模1：1還原現場實景，在場景中集成常見易發的各類工程事故點，通過VR交互體驗的方式，通過對常見安全事故的虛擬化、沉浸式體驗，讓從業人員親身感受違規操作帶來的危害，強化安全防范意識，熟練掌握安全操作技能，從而達到施工安全教育目的。

2 基于VR技術的安全培訓體驗系統功能

VR技術的安全培訓體驗系統可分為學習、體驗、考試三個功能模塊。

2.1 學習模式

在該模式下體驗者可以學習各種安全管理規章制度、設備使用方法等各種視頻、文檔、課件等多媒體資源。

2.2 體驗模式

在該模式下，體驗者頭戴VR頭盔在虛擬場景中進行漫游與實時交互，讓員工通過親身體驗了解事故發生過程以及事故原因，另外，還可以根據其危險程序，模擬可能造成的后果，讓相關人員及時制定安全預防措施和人員庇護手段。

2.3 考試模式

在學習和體驗完成后，學員可以結合學習的安全知識和體驗深刻感受到的危險傷害，對安全知識進行一次考試總結，有利于學員對所培訓的知識加深印象，同時也為單位記錄了學員考試成績，形成員工培訓檔案。

3 基于VR技術的安全培訓體驗系統的總體設計

3.1 系統總體架構

如圖1所示，系統總體框架分為五層，各層次的說明如下：

基礎層：軟件搭載Window7及以上操作系統運行，需要.NetFramework提供運行支持。

引擎層：Unity引擎主要提供運行時的音頻、動畫、特效、渲染服務，Mono提供運行時庫文件的執行調用服務。

套件層：SteamVR提供VR頭盔設備正常運行所需要的驅動程序，VRToolKit直接訪問SteamVR，為服務層提供控制VR頭盔設備的接口。

服務層：為軟件提供模塊化管理，音頻管理提供音頻的播放、停止、混響、釋放等功能服務;UI管理提供界面的初始化、打開與關閉、內容更新功能;玩家管理實現了體驗場景時相關的事件觸發時的處理邏輯;角色管理控制非玩家控制角色的動作執行、智能尋路、以及角色創建與銷毀;場景管理控制體驗的開始與結束，以及不同體驗場景之間的切換、事故的發生時機。局域網數據同步是為分鏡與主鏡畫面同步時提供傳輸數據服務。數據IO實現本地數據讀寫服務。

應用層：不同安全培訓內容及安全事故體驗的具體邏輯實現。

3.2 系統交互設計

系統的交互設計分以下三個步驟：

（1）對3D場景進行設計優化、搭建3D場景原型并細化（在Maya或3dMax完成）。

（2）設計交互流程，完成交互設計原型文檔，分別把各個場景串起來，完成交互原型。

（3）用戶交互：在場景中設置各種事故觸發點，體驗者在場景中體驗時可通過VR手柄進行操作會觸發各種事故的發生，如觸電、

墜落、物體打擊等。

3.3 系統軟件設計流程

系統軟件開發工具為Unity，編程語言為C#，開發流程如下：

（1）場景模型導入unity中，并進行檢查和調整;

（2）創建角色動畫;

（3）制作景區場景交互;

（4）創建行走相機并制作攝相機路徑動畫;

（5）制作系統的運行界面，包括背景界面元素、交互按鈕和背景音樂的制作;

（6）加入視頻、和Flash等媒體，并與模型、按鈕進行交互的鏈接;

（7）體驗事故觸發交互編程;（8）程序打包生成用戶可執行程序。

3.4 系統硬件

VR技術的應用與實現綜合了三維圖形處理、位置追蹤、觸覺或力覺反饋、人工智能等多種科學技術，其配套硬件設備主要以VR輸出設備、VR輸入設備、VR位置跟蹤器設備、體感設備以及用于運算的計算機這四部分組成，整體實現“沉浸感、交互性、構想性”三大核心技術特征。

輸出設備主要包括VR頭盔、多聲道耳機，實現視覺、聽覺上的模擬。

輸入設備主要是VR手持式操作手柄。

VR位置跟蹤器主要為激光定位器，激光定位技術的基本原理就是在空間內安裝數個可發射激光的裝置，對空間發射橫豎兩個方向掃射的激光，被定位的物體上放置了多個激光感應接收器，通過計算兩束光線到達定位物體的角度差，從而得到物體的三維坐標，物體在移動時三維坐標也會跟著變化，便得到了動作信息，完成動作的捕捉。

在VR體驗系統中，除了視覺和聽覺上的直觀感受，為增加體驗效果，可以用體感設備來增強用戶實際的體驗效果;體感設備一般為三自由度或六自由度運動電缸組成的動感運動座椅，主機和動感座椅之間通過UDP協議進行網絡通信，主機發送指令控制多自由度運動電缸進行伸縮，以帶動上平臺支架動作，進而上平臺支架帶動上平臺體驗座椅動作，實配合程序現行走、墜落、晃動等動作，再加入各種傳感器及設備可以實現觸電、吹風、噴水、熱風等特效，使得用戶可以擁有逼真的臨場體驗感，增加VR體驗的的沉浸感，加強了安全培訓效果。如圖2所示。

4 基于VR技術的安全培訓體驗系統的實際應用

在企業安全培訓中，只需要占用培訓教室幾平方米的空間，然后需要一臺滿足VR運行配置的電腦及一套VR頭盔設備就可以進行VR安全培訓。首先連接好VR頭盔和主機，打開系統軟件，培訓人員頭戴VR頭盔，用VR手柄進行操作，選擇好要體驗的項目后進入體驗場景，在場景內可以以第一視角任意進行行走漫游，到達事故發生的地點，培訓人員可以觸發事故發生，配合體感座椅實現墜落、震動、觸電、大風、高溫等特效，體驗到事故發生帶來的震撼傷害，同時還能以第三視角體驗事故還原，總結事故發生原因，避免在以后的工作中發生類似的事故。目前該系統在建筑、路橋、地鐵、煤礦等多個項目部進行了安裝使用，只需要一次投入就可以反復使用，為企業安全培訓提供了一種全新的方式，取得了較好的經濟和社會效益。

5 結束語

基于VR技術的安全培訓體驗系統以現實安全培訓為基礎，基于沉浸式虛擬互動仿真技術搭建的虛擬場景，結合VR頭盔實現了動態漫游，配合動感運動座椅可以直接體驗各種安全事故，讓體驗者有更加逼真的感受，從而提高工人的安全意識，減少事故發生，提升了安全培訓效果，降低了企業培訓成本，真正讓新科技推動安全生產。

參考文獻

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